JP2019111435A - 情報取得装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態は、本発明における基本的な実施形態である。まず、本実施形態の構成要素の説明を行い、次に本発明の特徴となる音響検出素子の配置方法及び走査方法について説明する。その後、本実施形態の実施方法を説明し、最後に考えられるバリエーションについて述べる。
光源1はパルス光を発生させる装置である。光源としては大出力を得るため、レーザーが望ましいが、発光ダイオードなどでもよい。光音響波を効果的に発生させるためには、被検体の熱特性に応じて十分短い時間に光を照射させなければならない。被検体が生体の場合、光源1から発生するパルス光のパルス幅は数十ナノ秒以下にすることが望ましい。また、パルス光の波長は生体の窓と呼ばれる近赤外領域であり、700nm〜1200nm程度が望ましい。この領域の光は比較的生体深部まで到達することができ、深部の情報を得ることができる。生体表面部の測定に限定すれば、500〜700nm程度の可視光から近赤外領域も使用してもよい。さらに、パルス光の波長は観測対象に対して吸収係数が高いことが望ましい。
光照射装置2は、光源1で発生させたパルス光を被検体3へ導く装置である。具体的には光ファイバーやレンズ、ミラー、拡散板などの光学機器である。また導く際に、これらの光学機器を用いて、形状や光密度を変更することもある。光学機器はここにあげたものだけに限定されず、このような機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。
被検体3は測定の対象となるものである。具体例としては、乳房等の生体や、装置の調整などにおいては生体の音響特性と光学特性を模擬したファントムが挙げられる。音響特性とは具体的には音響波の伝搬速度および減衰率であり、光学特性とは具体的には光の吸収係数および散乱係数である。被検体の内部には、光吸収係数の大きい光吸収体が存在する必要があり、生体では、ヘモグロビン、水、メラニン、コラーゲン、脂質などが光吸収体となる。ファントムでは、光学特性を模擬した物質を光吸収体として内部に封入する。また、本発明において、音響波を受信することにより生成する被検体内部の情報分布とは、光照射によって生じた音響波の初期音圧分布、あるいは初期音圧分布から導かれる光エネルギー吸収密度分布や、吸収係数分布、組織を構成する物質の濃度分布を示す。物質の濃度分布とは、例えば、酸素飽和度分布や酸化・還元ヘモグロビン濃度分布などである。
整合層4は、被検体3と音響アレイ検出器5との間の空間を満たし、被検体3と音響アレイ検出器5を音響的に結合させるためインピーダンスマッチング材である。材料は、被検体3と音響検出素子に音響インピーダンスが近く、パルス光を透過する液体が望ましい。具体的には水、ひまし油、ジェルなどが用いられる。後で述べるように被検体3と音響アレイ検出器5の相対位置が変化するため、被検体3、音響アレイ検出器5ともに整合層4をなす溶液中に設置すると良い。
音響アレイ検出器5は音響波を電気信号に変換する音響検出素子が複数集まった検出器である。音響アレイ検出器5は整合層4をなす溶液と接する面に、被検体3を取り囲むように設置される。被検体からの音響波を受信する音響検出素子は感度が高く、周波数帯域が広いものが望ましいが、具体的にはPZT、PVDF、cMUT、ファブリペロー干渉計を用いた音響検出素子などが挙げられる。ただし、ここに挙げたものだけに限定されず、機能を満たすものであれば、どのようなものであってもよい。
走査装置6は、音響アレイ検出器5を3次元的に走査(移動)させる装置である。本実施形態では、被検体3は固定であり、走査装置6としてXYZステージを用いることで、音響アレイ検出器を移動(走査)させ、被検体3と音響アレイ検出器5の相対的な位置を変える。ただし、本発明においては、被検体3と音響アレイ検出器5の相対的な位置が変わればよく、音響アレイ検出器を固定し、被検体を走査してもよい。被検体を走査する場合は、被検体を支持する支持部(不図示)を動かすことで被検体を走査する構成が考えられる。さらに、被検体3と音響アレイ検出器5の両方を走査してもよい。また、走査は連続的に行うのが望ましいが、一定のステップで繰り返しても良い。走査装置はステッピングモーターなどを搭載した電動ステージであることが望ましいが、手動ステージでも良い。ただし、ここに挙げたものだけに限定されず、被検体3と音響アレイ検出器5のうち少なくとも一方を移動可能に構成させているものであれば、どのようなものであってもよい。
走査制御装置601は、走査装置の制御を行い、被検体3と音響アレイ検出器5とを相対的に移動させる。具体的には、走査制御装置601は、走査装置6の移動速度や方向を決定し、走査装置6に指示する。また、走査装置6の移動速度や方向に関する情報をデータ処理装置8に出力する。
電気信号処理装置7は音響アレイ検出器5から出力されたアナログの電気信号(受信信号)を増幅し、デジタル信号(デジタルの受信信号)へと変換する機能を備える。効率的にデータを取得するため、音響アレイ検出器に設けられた検出素子数と同じだけAnalog−digital Converter(ADC)があることが望ましいが、一つのADCを順々につなぎ換えて使用してもよい。
データ処理装置8は電気信号処理装置7によって得られたデジタル信号を処理することによって、画像データを生成(画像再構成)するものである。データ処理装置として、具体的にはコンピュータ、電気回路などが挙げられる。画像再構成手法としては、例えば、フーリエ変換法、ユニバーサルバックプロジェクション法やフィルタードバックプロジェクション法、逐次再構成法(iterative method)などがある。本発明においてはどのような画像再構成手法を用いても構わない。
表示装置9はデータ処理装置8で生成された画像データを画像として表示するものである。具体的には液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ等が挙げられる。なお、表示装置は、本発明の音響波取得装置とは別に提供されていても良い。
(信号減衰補正)
本実施形態では、受信信号を補正する形態について説明する。音響波が被検体中や整合層中を伝播する場合、音響波の強度が減衰する。また、音響アレイ検出器5の走査位置によって、発生した音響波の発生位置から音響検出素子501までの経路中における被検体中を伝搬する距離と整合層中を伝搬する距離が異なる。被検体と整合層とが、生体と水とから夫々構成される場合など、夫々の減衰率が異なる場合、コントラストが正しく算出されないことがある。よって、本実施形態では、異なる強度減衰を補正する手法について述べる。
(屈折補正)
本実施形態では、界面での音響波の屈折を考慮して信号を補正することを特徴とする。整合層4は被検体3と近い音響インピーダンスを持つことが望ましいが、実際には完全に一致させることは難しい。よって、音響インピーダンスは音響波の伝播速度と密度との積であるために、整合層4と被検体3は音響波の伝搬速度が異なることがある。その場合、音響波の屈折が起こり、分解能を低下させてしまう。ここでは、屈折を補正し分解能を向上させる方法について述べる。
(リアルタイムに表示)
実施形態1で示した再構成は全信号を取得した後にまとめて再構成を行うものであったが、測定時間が長いと測定結果は最後になるまで確認できない。また、測定を失敗している場合には時間を無用に消費してしまう。そこで、本実施形態では、リアルタイムに結果を表示させる手法について述べる。
2 光照射装置
3 被検体
4 整合層
5 音響アレイ検出器
6 走査装置
7 電気信号処理装置
8 データ処理装置
9 表示装置
10 被検体保持具
11 形状取得装置
マッチング材を介して音響波を受信し受信信号を出力する検出器と、前記被検体に対する前記検出器の相対位置を変化させる走査部と、
前記受信信号を用いて前記被検体に関する情報を取得する信号処理部と、
前記被検体で発生した前記音響波が前記被検体内を伝搬する第1の伝搬距離と前記マッチング材を伝播する第2の伝搬距離に関する情報に基づいて前記受信信号を補正する信号補正部と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の第二に係る情報取得方法は、光が照射された被検体から発生する音響波に基づいて該被検体に関する情報を取得する情報取得方法であって、
被検体に対する検出器の相対位置を変化させる走査工程と、前記被検体からマッチング材を介して伝搬する前記音響波を前記検出器を用いて受信し受信信号を出力する検出工程と、前記受信信号を用いて前記被検体に関する情報を取得する信号処理工程と、を有し、
前記被検体で発生した前記音響波が前記被検体内を伝搬する第1の伝搬距離と前記マッチング材を伝播する第2の伝搬距離に関する情報に基づいて前記受信信号を補正することを特徴とする情報取得方法。
Claims (1)
- 被検体に光を照射することで前記被検体から発生した音響波に基づいて、該被検体に関する情報を取得する情報する情報取得装置であって、
音響波を受信して受信信号を出力する複数の検出素子が、該複数の検出器の受信面の向く方向が集まるように設けられた検出器と、
前記被検体と前記検出器のうち少なくとも一方を移動させることにより、前記被検体に対する前記検出器の相対位置を変化させる走査部と、
前記受信信号を用いて、前記前記被検体に関する情報を取得する信号処理部と、を備え、
前記信号処理部は、複数の相対位置において前記被検体に光を照射することで発生した音響波に基づいて、前記複数の相対位置のそれぞれにおける光照射に対応する複数の第1の画像データを生成することを特徴とする情報取得装置。
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